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Elektronischer Schalter
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Die Erfindung betrifft einen Schalter zur Steuerung und/oder Regelung
von motorischen Antrieben, die über ein Stellglied von einer elektronischen Steuer-
und/ oder Regeleinheit gesteuert und/oder geregelt werden.
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Die Leistungs- oder Drehzahlsteuerung oder -regelung von motorischen
Antrieben ist bei vielen technischen Systemen Grundvoraussetzung eines zweckmäßigen
Einsatzes. Darüberhinaus ist es in verschiedenen Fällen erforderlich, den Drehrichtungssinn
der motorischen Antriebe zu verändern.
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Diese unterschiedlichen Forderungen werden am konkreten Beispiel einer
Handbohrmaschine durch verschiedene Bedienelemente realisiert. So wird über einen
Netzschalter mit Ein/Aus-Charakteristik die Netz- oder Betriebsspannung zugeführt.
Die Regelung bzw. Steuerung der Leistung bzw. Drehzahl erfolgt über ein gesondertes
Bedienelement wie z. B. ein Stellpotentiometer mit Rändelung.
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Die Wahl des Drehrichtungssinns des motorischen Antriebs erfolgt dabei
über einen weiteren mechanischen Schalter. Zum sicheren Arbeiten bzw. zum Entlasten
des Bedieners ist für den Netzschalter in der Regel ein Arretierknopf vorgesehen.
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Diese bekannten Bedienelemente für motorische Antriebe am Beispiel
einer Bohrmaschine benötigen viele Einzelfunktionsbauelemente, die vom Bediener
unter Betriebsbedingungen
viele unterschiedliche Handgriffe erforderlich
machen. Es sind des weiteren unterschiedliche Montagearbeiten bei der Produktion
solcher Systeme erforderlich, die sich im Preis/Leistungsverhältnis niederschlagen.
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Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
Schalter für motorische Antriebe ànzugeben, der einfach in der Bedienbarkeit und
kostengünstiger produzierbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schalter
so ausgebildet ist, daß er in transversaler und vertikaler Richtung in verschiedene
diskrete und/ader kontinuierliche Schaltpositionen verstellbar ist.
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Dies kann in vorteilhaften Weiterbildungen dadurch geschehen, daß
durch Bewegen des Schalters in vertikaler Richtung der Drehsinn des motorischen
Antriebs festgelegt wird. Dabei kann sich die Vertikalbewegung des Schalters aus
einer Komponente einer Drehbewegung ergeben. Über die Vertikalbewegung des Schalters
wird der Stromrichtungssinn in den Induktivitäten der motorischen Antriebe kommutiert.
Nach der Wahl des Drehrichtungssinns läßt sich der Schalter nunmehr in transversaler
Richtung weiterbewegen, wodurch sich über eine mit dem Schalter beweglich verbundene
Kontaktzunge, die mit diskreten oder kontinuierlichen, feststehenden Kontaktflecken
in ohmscher Verbindung steht, diskrete oder kontinuierliche Schaltpositionen ergeben,
durch die bestimmte steuerungs- oder regelungstechnische Prozesse über Stellglieder
den motorischen Antrieben eingeprägt werden.
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Der erfindungsgemäße Schalter hat den wesentlichen Vorteil, daß er
das einzige Bedienelement für einen motorischen Antrieb der genannten Art ist und
als kompakte vormontierte Einheit kostengünstig für das Gesamtsystem ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1: Ein Blockschaltbild eines motorischen Antriebs
mit Schalter, Steuer/Regelelektronik und Stellglied Figur 2: Eine Prinzipdarstellung
des Schalters Figur 3: Eine Detailzeichnung für ein Wirkungsprinzip des Schalters
Figur 4a, b: Eine Detailzeichnung für den Einrastmechanismus des Führungsstiftes
FSt des Schalters Figur 5: Die Darstellung der Kräftevektoren und Hebelkräfte für
einen speziellen Betriebszustand des Schalters Figur 6: Eine Explosionszeichnung
des Schalters
Das gemäß Figur 1 dargestellte Blockschaltbild zur
Steuerung und/oder Regelung von motorischen Antrieben M besteht aus einem Funktionsblock
der Steuer- bzw. Regelelektronik ES/ER, deren Ausgangssignal U5 einem Stellglied
St zugeführt wird, welches den Steuerkreis mit dem Lastkreis, in dem sich der motorische
Antrieb M befindet, verbindet. Die Steuer- bzw. Regelelektronik ES/ER erhält ihre
Kommandos vom Schalter S. Im vorliegenden Beispiel sind 7 diskrete Möglichkeiten
angedeutet.
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Es ist auch eine Minimalkonfiguration mit nur 2 Möglichkeiten ohne
Drehrichtungssinnänderung denkbar. Darüberhinaus sind eine Vielzahl weiterer diskreter,
aber auch kontinuierlicher Schaltpositionen prinzipiell realisierbar, durch die
die unterschiedlichsten Steuer-und/oder Regelkommandos an die Steuer- bzw. Regelelektronik
abgegeben werden können.
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Für Regelungsprozesse wird die Motordrehzahl in einem Drehzahlmesser
DM erfaßt, dessen Ausgangsinformation 1A der Regelelektronik ER zugeführt wird.
Die Signalverarbeitung des gesamten Systems kann sowohl analog als auch digital
mit unterschiedlicher Schwerpunktbildung erfolgen.
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Im, ausgeführten Beispiel hat der Schalter S 7 verschiedene Kommandostellungen.
Die Stellung 0 für Aus. Die Stellung R1 für minimale Leistung bzw. Drehzahl für
Rechtslauf oder Vorwärtslauf, R3 für zeitlich linearen oder nichtlinearen Anstieg
oder Abfall der Leistung bzw. Drehzahl bis zu einem gewünschten Wert. Die Stellung
R2 für das Fixieren dieses gewünschten Wertes. Die dazu analogen Stellungen L1,
L3 und L2 sind für den Linkslauf oder Rückwärtslauf vorgesehen.
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Aus der Drehbewegung und gleichzeitigen transversalen Verschiebung
des Kontaktes Kon des Schalters S um den Drehpunkt Dr lassen sich überlagerte Bewegungen
in transversaler und vertikaler Richtung ausführen.
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Als motorische Antriebe M können beispielsweise Universalmotoren,
Gleichstrommotoren, Schrittmotoren und
Asynchronmotoren etc. Verwendung
finden. Dementsprechend sind als Stellglieder St für die motorischen Antriebe M
beispielsweise Thyristoren, Triacs, Transistoren und elektromagnetische Schalter
etc. vorgesehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform findet der erfindungsgemäße Schalter
Verwendung beim Einsatz in beispielsweise Bohrmaschinen und Gewindeschneidern. Daneben
können in entsprechend modifizierter Form auch Laufkatzen oder Kräne etc. gesteuert
bzw. geregelt werden.
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Die Wirkungsweise und der prinzipielle Aufbau des Schalters S ergibt
sich aus der Figur 2.
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Dabei wird ein Schieber Sch in einer Aussparung A eines Gehäuses Ge
in transversaler Richtung geführt, wodurch sich diskrete, aber auch kontinuierliche
Schaltpositionen dadurch ergeben, daß mit dem Schieber Sch an seinem unteren rechten
Ende Wi eine U-förmige Kontaktzunge Z über einen Bolzen Bo fest verbunden ist und
deren beide Kontakte auf den U-förmigen Schenkeln, mit feststehenden Kontaktflecken
Pl ohmisch verbunden werden, wodurch sich Steuer- und/oder Regelfunktionen für die
motorischen Antriebe M ergeben. Der Schieber Sch wird dabei über eine um einen Drehpunkt
DR kippbare Wippe W geführt, der in der Nähe des linken Randes des Schiebers Sch
mittig angebracht ist.
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Der Kraft, die der Bediener über die Wippe W auf den Schieber Sch
ausübt, wirkt die Kraft einer Rückstellfeder F2 in transversaler Richtung entgegen.
Der Schieber Sch weist in der Nähe seiner Oberkante 2 Längsnuten LNu auf, in die
mit dem Gehäuse Ge feststehende Zapfen Za zur funktionsfähigen Führung des Schiebers
Sch eingreifen. Ferner sind direkt an der Oberkante des Schiebers Sch V-förmige
Einkerbungen Ke angebracht, in die eine über eine vertikal wirkende Feder F3 angedrückte
Kugel Kug beim transversalen Bewegen des Schiebers Sch einrastet.
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Die Feder F3 befindet sich in einer Sacklochbohrung Sabo1 im Gehäuse
Ge. Die transversal wirkende Rückstellfeder F2 des Schiebers Sch ist in einer weiteren
Sacklochbohrung Sabo2 des Gehäuses Ge untergebracht. Der Schieber Sch läßt sich
beim Herausbewegen aus der Aussparung A bis gegen einen Anschlag An des Gehäuses
Ge bewegen.
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Symmetrisch zur Mitte des Schiebers Sch ist mit diesem ein Spurstück
Spu fest verbunden, das eine stimmgabelförmige Aussparung, nämlich eine Führungsbahn
FR und eine Führungsbahn FL jeweils für Rechts- bzw. Linkslauf aufweist, in die
ein Führungsstift FSt, der am rechten zapfenförmigen Ende der um den Drehpunkt Dr
kippbaren Wippe W befestigt ist, eingreift.
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Der Führungsstift FSt ist dabei sowohl im Hals als auch in den beiden
Verzweigungen der stimmgabelförmigen Aussparung FR, FL führbar. Beim Kippen der
Wippe W wendet der Bediener eine Kraft auf, der je nach Kipprichtung die jeweilige
Kraft einer von zwei Rückstellfedern F entgegenwirkt, dadurch, daß die jeweilige
Feder F1 tangential an einem gedachten Kreis um den Drehpunkt Dr in einer Vertiefung
der Wippe W so angebracht ist, daß sie beim Kippen der Wippe W zusammengedrückt
wird und eine Gegenkraft auf den Bediener ausübt.
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Am Führungsstift FSt ist drehbar das eine Ende eines Hebels H angebracht,
dessen anderes Ende mit einem Kulissenelement Ku, das vertikal bewegbar ist und
zwei horizontale Durchbrüche hat, verbunden ist.
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In den Durchbrüchen des Kulissenelements Ku sind zwei horizontal angeordnete
bewegbare elektrische Kontakte K eingefügt, die kammartig drei feststehenden Kontakten
Kf gegenüberstehen, die ebenfalls horizontal angeordnet sind. Im Falle eines Universalmotors
als motorischem Antrieb M sind die einen Enden der Kontakte K mit den Ankerwicklungen
über die Kollektoren verbunden.
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Der oberste und der unterste feststehende Kontakt Kf sind miteinander
verbunden und an ihrem Knotenpunkt sind die Induktivitäten L des motorischen Antriebs
M -im Beispiel des Universalmotors die Ständerwicklungen -angeschlossen. Am unteren
Ende des Anschlusses der Induktivitäten L ist der eine Pol der Betriebsspannung
und am mittleren feststehenden Kontakt Kf der andere Pol der Betriebsspannung UB
angeschlossen.
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Die Funktion des Schalter systems soll kurz erläutert werden: Im ausgerückten
Zustand der Feder F2 wird der Schieber Sch vom Anschlag An gehalten. Dabei befindet
sich der Führungsstift FSt im Hals der stimmgabelförmigen Ausgestaltung des Spurstücks
Spu. Der Führungsstift FSt zieht dadurch den Hebel H und das damit verbundene Kulissenstück
Ku in Ruhestellung - der Aus-Position "O".
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Gleichfalls schließen die Kontakte der Kontaktzunge Z keine Kontaktf
lecken kurz, wodurch auch die Steuer und/oder Regelelektronik ES/ER noch nicht zum
Einsatz kommen kann.
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Durch Kippen der Wippe W z. B. im Gegenuhrzeigersinn und gleichzeitiger
transversaler Bewegung des Schiebers Sch nach rechts wird über die Feder F3, die
Kugel Kug und die Einkerbungen Ke ein Einrastmoment sensorisch an den Bediener vermittelt,
der dadurch erkennt, daß eine diskrete Schaltposition angewählt wurde. Gleichzeitig
wird über den Hebel H das Kulissenstück Ku vertikal nach oben bewegt, wodurch die
Kontakte K mit den feststehenden Kontakten Kf kurzgeschlossen werden. Dadurch liegt,
jetzt die Betriebsspannung UB an den Induktivitäten L, LK des motorischen Antriebs
M, und es stellt sich ein Drehmoment und eine bestimmte Drehzahl entsprechend der
zugeführten Leistung ein. In dieser gewählten Position der Wippe W dreht der Motor
vorzugsweise nach rechts.
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Es ist jedoch auch ein linksdrehendes Moment in dieser Position denkbar,
durch entsprechende konstruktive Anderungen des Schaltersystems.
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Der Pührungsstift FSt gleitet nun in der oberen Führungsbahn FR für
Rechts- oder Vorwärtslauf. Weiteres transversales Bewegen des Schiebers Sch über
die Wippe W führt zu weiteren diskreten Schaltpositionen die wiederum über die Einkerbungen
Ke und die Kugel Kug sowie die Feder F3 vermittelt werden.
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Im vorzugsweise ausgeführten Beispiel bedeutet die Stellung 1 für
Rechtslauf oder Vorwärtsrichtung, daß dem motorischen Antrieb M minimale Leistung
oder Drehzahl über das Stellglied St durch die Steuer- bzw.
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Regelelektronik zugeführt wird. Die Stellung 2 soll sodann übersprungen
werden, um in Stellung 3 einen zeitlich linearen oder nichtlinearen Anstieg oder
auch Abfall der Leistung bzw. Drehzahl von der Steuer- bzw.
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Regelelektronik vornehmen zu lassen.
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Ist nun eine gewünschte Leistung oder Drehzahl von der Steuer- bzw.
Regelelektronik erbracht, so läßt man über die Federkraft der Feder F2 den Schieber
und damit die Wippe W sich nach links bewegen, bis die diskrete Schaltposition 2
einrastet. Dort wird die zuvor in Stellung 3 gewählte Leistung bzw. Drehzahl fixiert.
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Eine Veränderung der Leistung bzw. Drehzahl erfolgt wieder über die
Stellung 3 und Fixieren dieses Wertes in Stellung 2.
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Durch die stimmgabelförmige Ausgestaltung der Führungsbahnen FR bzw.
FL ist es nicht möglich, daß in einem Zustand, wo der motorische Antrieb auf hoher,
aber auch niedriger Drehzahl läuft, seinen Drehrichtungssinn ändert. Dies ist nur
über die Stellung "0", also Aus, möglich. Für den Links- oder Rückwärtslauf wird
die Wippe W aus der "O"-Stellung im Uhrzeigersinn gekippt
und gleichzeitig
transversal nach rechts verschoben. An der spezifischen Art der diskreten Schaltpositionen
0, 1; 2, 3 ändert sich prinzipiell nichts. Lediglich -die Kulisse Ku wird nach unten
bewegt, wodurch der Stromrichtungssinn in den Induktivitäten LK der motorischen
Antriebe kommutiert wird, was die Änderung des Drehrichtungssinns verursacht.
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Bei einer modifizierten Ausführungsform der Kontaktflecken Pl ist
es möglich, diese über die Kontaktzunge Z als Stellpotentiometer zu benutzen, wenn
die Kontaktflecken ein kontinuierliches ohmsches Verhalten zeigen in Abhängigkeit
von der jeweiligen Stellung des Schiebers Sch.
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Die Figur 3 zeigt eine Detaildarstellung der Ausgestaltung der Führungsbahnen
Fr bzw. PL. Diese sind dabei beispielsweise durch jeweils 3 Nuten Nu widerhakenförmig
ausgebildet, so daß der Führungsstift FSt je nach gewünschter diskreter Schaltposition
in eine der drei bzw. sechs Nuten Nu durch Kippen der Wippe W um den Drehpunkt Dr
einrastet. In konsequenter Weiterbildung dieses konstruktiven Merkmals kann dadurch
der sonst konventionell verwendete Arretierknopf bei beispielsweise bislang bekannten
Bohrmaschinen wegfallen.
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In Figur 4a sind deshalb die Nuten Nu an ihren beiden Längsseiten
mit federnden Nocken No so versehen, daß, wenn der Führungsstift FSt über sie gedrückt
wurde, dem Bediener ein Arretiermoment vermittelt wird, so daß der Führungsstift
FSt nicht mehr ohne äußeren Kraftaufwand, den der Bediener aufzubringen hat, aus
dieser Position herausbewegt werden kann.
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In Figur 4b ist die Ausgestaltung der Nuten Nu mit federnden Nocken
No so vorgenommen, daß in einem gewissen Abstand von der jeweils rechten Nocke für
die obere
Führungsbahn bzw. von der jeweiligen linken Nocke für
die untere Führungsbahn ein Schlitz Schl, der so tief ist wie die Nut Nu, angebracht
ist.
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Der Funktionsmechanismus dieses Schaltersystems soll anhand der Kräftevektoraddition
anhand der Figur 5 dargelegt werden.
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Es wird dabei nur auf die Verhältnisse in der oberen Führungsbahn
bzw. in der Ruhestellung 0 eingegangen.
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Für die untere Führungsbahn sind die Verhältnisse analog.
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In Position "O" oder AUS sind die beiden Federn F1 in der Wippe W
in Ruhestellung und üben keinerlei Tangentialkräfte aus bezüglich einer Drehung
der Wippe W um deren Drehpunkt Dr. Die Rückstellfeder P2 ist ebenf'alls in Ruhestellung
und hält den Schieber Sch mit dem Winkel Wi gegen den Anschlag An fest. Die Kontakte
K, Kf berühren sich nicht und die Kontaktflecken Pl sowie die Kontaktzunge Z haben
keinerlei ohmsche Verbindung. Der Führungsstift FSt ist im Hals der stimmgabelförmigen
Ausgestaltung der Führungsbahnen.
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Gemäß Figur 5 sei nun der Führungsstift FSt in einer Nut Nu der oberen
Führungsbahn eingerastet. Auf ihn wirken dann die folgenden Kräfte ein: Die Federkraft
FD2 der Rückstellfeder F2 für den Schieber Sch wirkt in horizontaler Richtung nach
links. Die über den Hebelmechanismus der Wippe W entsprechend dem Hebelgesetz übersetzte
Kraft FD1 der Wippenrückstellfeder F1 wirkt senkrecht zur gestrichelt eingezeichneten
Wirkungslinie. Diese beiden Kräfte ergeben zerlegt in Komponenten eine resultierende
Kraft Frei1. Diese erfährt ihre Reaktionskraft durch die Stirnfläche der Nut Nu.
Mit anderen Worten: Es stellt sich ein stabiles Kräftegleichgewicht ein. Der Führungsstift
FSt bleibt in der Nut Nu fest arretiert.
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Zum Herausbewegen des Führungsstifts FSt aus dieser Nut Nu bedarf
es eines zusätzlichen äußeren Kraftaufwands, der vom Bediener erbracht werden muß
über das Betätigen der Wippe W mit einer Kraft PH. Diese Kraft PH wird entsprechend
dem Hebelgesetz wieder übersetzt in die Kraft FH'. Zerlegt in entsprechende Komponenten
ergibt sich gemäß Figur 5 dann die resultierende Kraft Pres2* Daraus ist ersichtlich,
daß der Führungsstift FSt aus der Nut herausbewegt wird. Dazu muß lediglich noch
die Kraft, die die Nocken No auf den Führungsstift FSt ausüben, überwunden werden,
was durch eine entsprechend große Kraft PH beim Betätigen der Wippe bewerkstelligt
werden kann.
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In Figur 6 ist eine Explosionszeichnung des erfindungsgemäßen Schaltersystems
dargestellt, die im wesentlichen die Details aus den Figuren 2 und 3 zeigt, jedoch
mit der Ausnahme, daß das Kulissenstück Ku in der Figur 2 durch eine entsprechende
konstruktive Änderung gemäß Figur 6, Teil Ku2, ausgestaltet ist.
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Die Figur 6 zeigt einen Schieber Sch, der an seinem linken Ende an
der Stirnfläche abgeschrägt ist, zur Aufnahme der Rückstellfedern F1 für den Kippvorgang
der Wippe W. Die Wippe W wird mit dem Schieber Sch mechanisch über einen Stift DrSt
verbunden, der in je eine Bohrung Lo2, des Schieber Sch und den Drehpunkt Dr und
der Wippe W eingeführt ist, wodurch die Wippe W um diesen Stift DrSt kippbar ist.
Der Schieber Sch weist an seiner oberen Längskante V-förmige Einkerbungen Ke auf,
in die eine Kugel Kug beim transversalen Bewegen des Schiebers Sch dadurch einrastet,
daß sie über eine Feder F3, die ortsfest angebracht ist, angepreßt wird.
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Durch diese konstruktive Maßnahme wird dem Bediener ein Einrastmoment
sensorisch vermittelt.
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In seiner Längslage weist der Schieber Sch eine Aussparung Aus auf,
in der eine Rückstellfeder F2 geführt wird, um eine rücktreibende Kraft auf den
Schieber Sch auszuüben.
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An seinem rechten unteren Ende hat der Schieber Sch einen Bolzen Bo
um eine U-fö-mige Kontaktzunge Z mit Kontakten Kon an den beiden U-förmigen Schenkeln
über eine Bohrung Lo3 aufzunehmen. Die Kontakte Kon2 bewegen sich in transversaler
Richtung auf einer Kontaktplatte Pol mit diskreten oder kontinuierlichen Kontaktflecken
Pl, wodurch ein Steuer- oder Regelkreis geschlossen wird, Mit dem Schieber Sch ist
mechanisch fest ein Spurstück Spu verbunden. Dieses Spurstück weist eine stimmgabelförmige
Aussparung auf, wobei jede der beiden Äste der stimmgabelförmigen Aussparung widerhakenförmige
Nuten Nu aufweist. Im konkreten vorliegenden Beispiel drei.
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In die Mitte der stimmgabelförmigen Aussparung ragt eine Zunge Zu
hinein. Zu beiden Seiten dieser Zunge Zu befinden sich Führungsbahnen FR/PL für
Rechts- bzw.
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Linkslauf der motorischen Antriebe. Der Hals Ha der stimmgabelförmigen
Ausgestaltung definiert die Ruhestellung "O" bzw. AUS.
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Am Hebel He der Wippe W ist eine weitere Bohrung Lo1 angebracht, in
die das eine Ende eines Führungsstifts FSt eingreift. Das Mittenteil dieses Führungsstifts
FSt wird von der stimmgabelförmigen Aussparung des Spurstücks Spu geführt. Das andere
Ende des Führungsstifts FSt greift in eine im Querschnitt C-förmige Aussparung C
eines Kulissenstücks Ku2 ein und ist in dieser C-förmigen Aussparung transversal
führbar. Das Kulissenstück Ku2 ist um einen an der Stirnseite angebrachten Zapfen
KZa vertikal schwenkbar. Die Schwenkbewegung kommt dadurch zustande, daß der Führungsstift
FSt bei der Wahl einer bevorzugten Führungsbahn FR, FL oben
bzw.
unten mit seinem anderen Ende über die Führung in der C-förmigen Aussparung das
Kulissenstück Ku2 um den Zapfen KZa schwenkt bzw. kippt.
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Auf der Rückseite des Kulissenstücks Ku2 sind mit diesem fest verbundene
Kontakte K angeordnet, die die jeweilige Schwenkbewegung mitmachen. Ihnen gegenüber
befinden sich ortsfeste Kontakte Kf. An den beweglichen Kontakten K sind über beispielsweise
den Kollektor eines Universalmotors die Ankerwicklungen LK angeschlossen.
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Mit den ortsfesten Kontakten Kf sind dann die Ständerwicklungen L
verbunden. Durch Schwenken des Kulissenstücks Ku2 um den Zapfen KZa wird der Stromrichtungssinn
in den Induktivitäten LK des motorischen Antriebs M kommutiert, was eine Drehrichtungssinnänderung
zur Folge hat.
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Es ist durch entsprechende konstruktive Maßnahmen beim Entwurf eines
Schaltersystems und durch entsprechend ausgewänlte Stellglieder sowie einer dafür
ausgelegten Steuer und/oder Regelelektronik möglich, auch Verbrennungsmotoren in
ihrer Leistung oder Drehzahl bzw. in ihrem Drehrichtungssinn zu beeinflussen.